水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子萌发及幼苗生长的影响

刘成凤，曾加芹，王梦妍

（西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000）

随着人口的增加，工业、农业和其他生活用水量不断扩大等一系列问题，水资源缺乏已成为全球性问题。水分胁迫是指植物在缺水条件下，对自身的代谢产生影响，植物的正常生理活动受到干扰时的状态。种子能否萌发受多个外界环境因素如水分、光照、温度、氧气、土壤酸碱度等的综合影响。其中，水分是种子萌发最关键的因素之一［1］。种子吸水膨胀，呼吸作用加剧，种皮变软，透气性增加，酶活性增强，胚的代谢活动旺盛，大分子贮藏养分分解利用，启动和保证了胚的生长发育。但是水分过多或不足，都将对种子萌发产生不利影响。水分过多，种子会因吸水过多造成腐烂，还使得种子进行无氧呼吸，产生酒精对种子造成毒害甚至死亡；而水分不足，会抑制种子细胞内各种酶的活性，无法提供正常的新陈代谢，造成种子不能萌发或萌发后的幼苗畸形。因此，适宜的水分是种子萌发的关键因素［1］。

聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）是一种具有良好水溶性的大分子有机物，无毒、无刺激性，溶于水后能产生强大的渗透压，但自身不能通过细胞壁进入细胞质，从而无法引起质壁分离，可通过人为方法控制水分进入种子内部的速率［2］，且其具有操作方便、周期短、效果显著等特点［3］，因此被广泛地用作植物种子萌发期的水分胁迫试剂来模拟干旱环境，对植物种子萌发进行抗旱性研究［4］。

青藏高原大部分属于干旱、半干旱地区，但其植物种类繁多，植被类型复杂、植物资源丰富，并且呈现明显的区域差异。幅员广袤、生态环境复杂的青藏高原为众多植物的生长发育提供了有力条件，其中不乏许多具有抗寒、耐旱潜力的沙生植物［5］。锦鸡儿（Caragana sinica）、砂生槐（Sophora moorcroftiana）属于豆科灌木植物，主要分布于中国干旱寒冷的西北部和西南部的青藏高原地区，均为西藏旱中生山地灌丛植被的优势种。锦鸡儿主要存在于2 900～4 600 m的藏南高原及阿里地区的山麓洪冲积扇及山坡上。其造型多变，模样雅致，具有极高的观赏价值。根皮药用，能祛风活血、舒筋、除湿利尿、止咳化痰。枝叶可供牲畜食用，是营养丰富的牲畜饲养粮，具有很高的饲用价值和开发价值。目前对锦鸡儿较多的研究报道均表示该植物抗逆性强，有耐风蚀、不怕沙埋的特点，在防风固沙、改良土壤、绿化环境等方面发挥着极其重要的作用，对荒漠区的生态修复与重建存在着重要意义［6-8］。砂生槐主要存在于2 800～4 400 m的雅鲁藏布江中游谷地的山坡、洪积扇或沿江沙地上。其花期较长，既是良好的观赏植物也是优良的蜜源植物。果肉能入药、种子可作饲料、花蕾可作染料等，在药用、饲用与经济等方面具有极大的开发利用价值。前人对砂生槐特性有较多的研究，得出其有极强的抗旱、耐贫瘠、耐寒及耐风蚀等生态适应性，具有很好的防风固沙、保水保土、改善环境的生态功能［9，10］。鉴于两者在西藏干旱寒冷山区灌木群落演替、防风固沙、改善环境、防止水土流失等方面的重要生态意义，该试验通过模拟水分胁迫，分析了水分对两种抗旱性植物种子萌发及幼苗生长的影响，以期筛选出抗旱性更好的沙生植物，为今后西藏生态环境恢复与改善水土流失状况提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

锦鸡儿和砂生槐种子于2019年10月采于西藏自治区林芝市八一镇境内，海拔约2 900 m。采种后首先手工脱粒，然后以水选法除去空粒、被昆虫侵害过的种粒和其他夹杂物，晒干后冷藏保存。

1.2 试验方法

1.2.1 溶液配制 试验共设置7个胁迫梯度，分别为0（CK，去离子水处理）、50、100、150、200、250、300 g/L的PEG水溶液进行水分胁迫，与之相对应的溶液水势约为0、-0.10、-0.20、-0.40、-0.60、-0.86和-1.20 MPa［9］。溶液水势的计算公式为：

式中，Ψs为溶液的水势，MPa；C为PFG的含量，g/L；T为溶液温度，℃。

1.2.2 种子处理 试验开始前，挑选大小均一、颗粒饱满的锦鸡儿和砂生槐种子，用自来水冲洗干净，在室温下置于5%高锰酸钾溶液中消毒30 min，然后用去离子水连续冲洗3次，以便彻底打破种子休眠。

1.2.3 试验设计 采取7个不同浓度梯度的PEG溶液进行处理，每处理3次重复。在培养皿中铺上一层滤纸作为种子的发芽床，用去离子水以及50、100、150、200、250、300 g/L的PEG溶液润湿所对应的发芽床，每个培养皿中放置50粒种子，再分别加入对应浓度的PEG溶液（以浸没种子一半为宜）。将不同处理的培养皿置于25℃的培养箱中培养，在昼夜恒温光照条件下进行萌发试验。自培养之日起，每天定时定量加入不同浓度的PEG溶液，并保证每2 d更换1次滤纸，以使培养皿内的溶液水势保持恒定状态。种子的萌发以胚根长到种子长度的1/2为标志［11，12］，将3个重复中最早有一粒种子发芽之日作为该处理发芽的开始期，每24 h记录1次发芽情况，当5 d不再有种子发芽时为发芽结束期。发芽试验结束后，在每个处理的3次重复中，挑选培养皿中所有正常生长的发芽种子平铺于白纸上，用游标卡尺测定2种植物种子幼苗的胚根和胚芽长度。

1.3 发芽测定指标及方法

1.3.1 发芽率 发芽率是指测试种子发芽数与测试种子总数的百分比，计算公式为：GP=n/N×100%，式中，GP为种子发芽率，n为累计发芽种子数，N为供验种子总数。

1.3.2 发芽势 发芽势是指发芽过程中日发芽种子数达到最高峰时，发芽的种子数占供测种子总数的百分率，计算公式为：发芽势=发芽达到高峰期的种子发芽数/供测种子总数×100%。

1.3.3 发芽指数 发芽指数是反映种子活力大小、发芽数量、发芽速度、整齐程度的重要指标之一，其计算公式为：GI=∑（Gt/Dt），式中，Gt为在时间t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数［13］。

1.3.4 活力指数VI=S×GI，式中，S为幼苗生长势，用萌发结束后以幼苗平均长度表示，幼苗平均长度=胚根+胚芽［14］。

1.4 数据统计分析

试验数据采用SPSS22.0统计分析软件进行单因素方差分析和多重比较（LSD法）。数据结果以“平均值±标准误”表示，采用Microsoft Excel 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽率的影响

不同浓度PEG处理后，种子处于发芽阶段时，在干旱环境条件下的适应能力可以作为鉴定种子抗旱能力的重要指标［15］。不同PEG浓度处理对锦鸡儿和砂生槐种子发芽率影响存在差异（图1）。从图1可以看出，对照（CK）锦鸡儿和砂生槐种子的发芽率最高，分别为45.33%、12.67%。当PEG浓度增大到50 g/L时，锦鸡儿种子发芽率持续降至26%，与对照相比有大幅度降低；砂生槐种子发芽率则降至11.33%，与对照条件下的发芽率无显著差异（P＞0.05）；当PEG浓度为100 g/L时，锦鸡儿、砂生槐种子发芽率分别降低至4%、1.33%，与对照条件下的发芽率相比，均存在显著差异（P＜0.05）；当PEG浓度≥150 g/L时，2种植物种子的发芽率均为0，即种子发芽完全被抑制。从整体来看，随着PEG模拟水分胁迫的加剧，两种植物种子的发芽率均呈逐渐下降的趋势，但是锦鸡儿在PEG浓度为0（CK）、50、100 g/L下的发芽率均明显高于砂生槐，所以，锦鸡儿在水分要求上来说优于砂生槐，更适合在干旱环境下生长。

图1 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽率的影响

2.2 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽势的影响

不同浓度PEG处理对锦鸡儿和砂生槐种子发芽势影响存在差异（图2）。由图2可知，对照（CK）锦鸡儿和砂生槐种子的发芽势最大，分别为31.33%、8.67%。当PEG浓度为50 g/L时，锦鸡儿和砂生槐种子发芽势分别为21.33%、5.33%，与对照的发芽势相比，差异不显著（P＞0.05）；PEG浓度为100 g/L时，发芽势分别降低至4%、1.33%，与对照相比均存在显著差异（P＜0.05）；当PEG浓度≥150 g/L时，两种植物种子的发芽势均为0，表示种子已经失去生命力，无法萌发。由此可知，在对照（CK）处理下，2种植物种子的发芽势最大，种子生命力最旺盛，随着PEG胁迫的加剧，发芽势逐渐降低，即种子的生命活力逐渐丧失。从整体来看，PEG水分胁迫下锦鸡儿的发芽势明显高于砂生槐，即在水分胁迫处理下，锦鸡儿种子的生命力更旺盛，耐旱能力强于砂生槐种子。

图2 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽势的影响

2.3 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽指数的影响

不同浓度PEG处理后，种子的发芽指数具有明显变化，一定程度上反映了该植物种子的发芽能力和活力大小［16］。由图3可知，锦鸡儿种子的发芽指数随水分胁迫程度的加剧呈逐渐下降的趋势，对照（CK）发芽指数为5.27，达到最大，这与其发芽率、发芽势的变化趋势一致。随着PEG浓度的增大，砂生槐种子的发芽指数经历了一个先升后降的过程，PEG浓度为50 g/L时，发芽指数最高达到3.52，明显高于对照。当PEG浓度为100 g/L时，锦鸡儿、砂生槐种子的发芽指数分别降低至2、1.5，与对照的发芽指数相比，差异不显著（P＞0.05）；PEG浓度≥150 g/L时，2种植物种子的发芽指数均为0。由此可知，PEG浓度越高，水分胁迫程度越大，对种子发芽能力的抑制作用越明显。从整体趋势看，锦鸡儿种子的发芽指数总体明显高于砂生槐种子，说明锦鸡儿种子在萌发时期对于水分胁迫的适应性强于砂生槐种子，抗干旱能力更强。

图3 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子发芽指数的影响

2.4 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子活力指数的影响

不同浓度PEG处理对锦鸡儿和砂生槐种子活力指数的影响存在差异（图4）。从图4可以看出，对照锦鸡儿和砂生槐种子的活力指数分别为99.66、63.02，为最大值。PEG浓度为50 g/L时，锦鸡儿、砂生槐种子的活力指数分别持续降至43.01、28.48，与对照相比有大幅度降低；PEG浓度为100 g/L时，锦鸡儿、砂生槐种子的活力指数分别降至16.26、8.48，与对照条件下的活力指数相比，均存在显著差异（P＜0.05）；当PEG浓度≥150 g/L时，2种植物种子的活力指数均为0。从整体趋势看，PEG的水分胁迫对2种植物种子活力指数的影响呈逐渐下降趋势，且高浓度PEG胁迫会抑制种子的活力，甚至致死。在相同浓度PEG胁迫下，锦鸡儿种子的活力指数明显高于砂生槐种子，即在相同水分胁迫条件下，锦鸡儿种子的抗旱能力强于砂生槐种子。

图4 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子活力指数的影响

2.5 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐幼苗胚根长度的影响

从图5可知，随着PEG浓度的增大，锦鸡儿幼苗胚根长度变化不明显。对照（CK）处理下，锦鸡儿幼苗胚根长度为最大值5.57 mm，之后幼苗胚根长度随PEG浓度的升高逐渐减小，当PEG浓度≥150 g/L时，2种植物种子均不萌发。经过不同浓度PEG胁迫处理后，锦鸡儿幼苗胚根长度无显著差异。对照（CK）处理下，砂生槐幼苗胚根长度为最大值20.38 mm。PEG浓度为50 g/L时，砂生槐幼苗胚根长度骤然降至4.81 mm，与对照相比有大幅度的降低。PEG浓度为100 g/L时，砂生槐幼苗胚根长度达到最小值3.75 mm，与对照幼苗胚根长度存在显著差异（P＜0.05）。从整体来看，水分胁迫对2种植物幼苗的胚根生长均存在抑制作用，但是砂生槐胚根生长的抑制作用更显著，即水分胁迫处理对砂生槐幼苗胚根生长的伤害程度更大。

图5 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子胚根长度的影响

2.6 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐幼苗胚芽长度的影响

不同浓度PEG处理对锦鸡儿和砂生槐幼苗胚芽长度影响存在差异（图6）。由图6可知，对照（CK）锦鸡儿和砂生槐幼苗胚芽长度为最大值，分别是13.35、15.04 mm。PEG浓度为50 g/L时，锦鸡儿、砂生槐幼苗胚芽长度分别持续降至7.98、3.28 mm，与对照相比有大幅度降低，且存在显著差异（P＜0.05）；PEG浓度为100 g/L时，锦鸡儿、砂生槐幼苗胚芽长度分别降低至3.89、1.9 mm，与对照的胚芽长度相比，均存在显著差异（P＜0.05）；当PEG浓度≥150 g/L时，2种植物种子不萌发。从整体来看，不同浓度PEG胁迫对2种植物幼苗胚芽长度的影响呈逐渐下降趋势，但是砂生槐的下降趋势更为明显，在50 g/L时骤然降低，因此，不同浓度PEG胁迫对砂生槐幼苗胚芽的伤害程度更大。

图6 PEG模拟水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐种子胚芽长度的影响

3 小结与讨论

种子萌发是整个植物生长期间的开始阶段，其生长状况反映植物的抗逆性强弱，但干旱或半干旱环境条件是限制植物种子萌发及幼苗生长的重要因素［17，18］。种子萌发受水分影响效果显著，随着水分胁迫的加剧，种子的生长状况受到抑制，甚至失去活性，无法萌发。PEG模拟水分胁迫，是通过调节溶液的渗透压来达到限制水分进入种子内部的目的。从某种意义上来说，PEG处理对种子萌发及幼苗生长起到了水分胁迫的作用［16］。目前，利用PEG模拟水分胁迫来研究植物抗旱机制的报道有很多。尚国亮等［19］的研究结果表明，随着干旱胁迫的加剧，3个柔枝松种源的萌发率、活力指数等都出现了不同程度的下降。陈坤浩等［20］研究发现，在水势为0～-0.60 MPa的水分胁迫条件下，随着水势的下降，福建柏种子的发芽率、发芽指数、活力指数、芽长等都表现出明显的下降趋势。沙洁等［21］在水分胁迫对番茄种子萌发及幼根发育的影响中探索到，渗透势越低，对种子发芽的胁迫程度越大。

该试验在实验室利用PEG溶液模拟不同水势并通过测定发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、萌发幼苗胚根和胚芽长度等几个指标来研究水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐的种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明，水分胁迫对锦鸡儿和砂生槐的种子萌发及幼苗生长存在明显的抑制作用。这一结果与王怡丹［22］在蒙古冰草、扁穗冰草和滨麦抗旱性研究中一致。综合结果分析表明，PEG浓度在0～100 g/L范围内，锦鸡儿和砂生槐种子具有发芽能力，其种子萌发及幼苗生长随浓度的增加而降低，当PEG浓度≥150 g/L时，种子均不萌发。总体来看，2种植物种子萌发期耐旱性鉴定的致死浓度应小于150 g/L，这与裴成成等［23］对不同番茄品种种子萌发的研究结果一致。在受到0～100 g/L PEG胁迫时，随着浓度的增加，其发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、萌发幼苗胚根和胚芽长度均总体呈现下降趋势，且砂生槐在持续水分胁迫条件下的生理响应表现得更为强烈，抑制作用更加明显，说明水分胁迫对砂生槐的影响作用更大，即锦鸡儿的抗旱能力强于砂生槐，更适于在干旱环境中生长。